用于倒置聚合物太阳能电池和光电应用的宽带隙半导体（ZnO,ZnS）纳米结构的合成，表征和应用

发布时间：2020-04-21 07:43

【摘要】：太阳能是满足可再生能源未来能源需求的最佳候选者。由于低成本,多样性和低温处理,有机光伏发电成为收获太阳能的一种绝佳选择。倒置聚合物太阳能电池已成为最有希望的传统硅基太阳能电池的代替品。由于宽带隙(3.37 eV)和高激子结合能(60 meV),ZnO被认为是倒置聚合物太阳能电池中最有前途的电子传输材料。在氧化锌的不同形态中,作为电子传输层的1-D ZnO纳米结构已显示出在倒置有机聚合物太阳能电池中的潜在应用。此外,对电子传输层进行掺杂是实现高性能倒置聚合物太阳能电池的有效方式。本论文中未掺杂和掺杂的ZnO电子传输层可以通过简单的低温共沉淀法合成,该方法不仅具有成本效益,而且合成高产率的1-D ZnO纳米结构的工艺不需要添加任何表面活性剂,是环境友好型的。纳米材料具有其独特的性质和功能,因此纳米技术涉及生活的各个领域。ZnS是另一种多功能半导体材料,在材料科学的不同领域都对其进行了高度的研究。不同形状的ZnS纳米材料,如球形,管状等,可以用于不同的领域,如发光二极管(LED),有源传感器,太阳能电池,废水处理等。因此,对于不同的应用,调整材料的光学和结构特性是非常重要的。为此,在未来的不同纳米光电器件中,ZnS半导体中的过渡金属掺杂是调整其结构和光学性质的有效方式。在第一章中,对能源,太阳能,有机光电池,有机太阳能电池,不同类型的有机太阳能电池中的,倒置的聚合物太阳能电池,有机本体异质结太阳能电池,电流电压测量,影响设备参数因素等进行了大致的介绍,并简要讨论了ZnS的重要性,纳米材料的尺寸依赖性,纳米材料中的过渡金属掺杂以及论文的目的。第二章讨论了Nb掺杂ZnO纳米棒的合成,表征和应用。使用湿化学方法成功制备了Nb掺杂的ZnO纳米棒,其中x=0.0至x=0.07。透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)用于检查合成后样品的形态和结构性质。而紫外可见分光光度计和光致发光(PL)光谱法研究了制备的样品的光学性质。铌掺杂的样品在光谱中显示出明显的红移。在PL光谱中,观察到在最高浓度的掺杂下缺陷发射峰完全消失。铌掺杂的ZnO纳米棒作为倒置聚合物太阳能电池的电子输送层,而PTB7-Th:PC71BM作为供体受体的聚合物,显示出比纯ZnO纳米棒更好的功率转换效率。第三章简要讨论了Mo和Ti掺杂ZnS纳米粒子的化学合成以及掺杂剂浓度对结构和光学性质的影响。通过UV-可见光和PL光谱研究掺杂样品的光学性质,同时通过透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)研究形态和结构性质。通过TEM显示掺杂的ZnS纳米粒子尺寸分布的变化,而在吸收光谱中,通过掺杂Mo观察到14 nm的红移,并且当ZnS纳米粒子掺杂Ti时观察到14 nm的蓝移。随着Mo的掺杂能带间隙从4.03 eV减小至3.89 eV。另一方面随着掺杂的Ti浓度的增加,能带间隙的显著地从4.11 eV增大到4.27 eV。这些特性为调整未来发光和光电器件的材料特性提供新的途径。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TB383.1

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